[論文レビュー] Feasibility of lasing in the GaAs Reststrahlen band with HgTe multiple quantum well laser diodes

А. А. Афоненко, Д. В. Ушаков+5 more|Digital Library of the Belarusian State University (Belarusian State University)|Oct 27, 2020

Spectroscopy and Laser Applications参考文献 51被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、Cd₀.₆Hg₀.₄Teバリアマトリックス中に配置された複数のHgTe量子井戸を用いた電流駆動型レーザーダイオードを提案し、アギュア再結合を抑制することで26–30 μmでレーザー発振を実現することを目的としている。キャリア輸送、再結合、熱的効果を包括的に組み込んだモデルを用いて、90 Kまで安定したレーザー発振が可能であることを示し、パルス出力は最大8 mWに達する。

ABSTRACT

Operation of semiconductor lasers in the 20--50 $μ$m wavelength range is hindered by strong non-radiative recombination in the interband laser diodes, and strong lattice absorption in GaAs-based quantum cascade structures. Here, we propose an electrically pumped laser diode based on multiple HgTe quantum wells with band structure engineered for Auger recombination suppression. Using a comprehensive model accounting for carrier drift and diffusion, electron and hole capture in quantum wells, Auger recombination, and heating effects, we show the feasibility of lasing at $λ= 26...30$ $μ$m at temperatures up to 90 K. The output power in the pulse can reach up to 8 mW for microsecond-duration pulses.

研究の動機と目的

• GaAsベースのQCLにおける格子吸収と、帯間レーザーにおける非放射再結合による原因で生じる20–50 μm帯域におけるコンactな遠赤外光源の不足を解消すること。
• HgTe量子井戸が有する特異なバンド構造を活用して、狭帯ギャップ半導体における主要な制限要因であるアギュア再結合を低減すること。
• HgTe多重量子井戸を用いて、アギュア再結合を抑制したGaAs Reststrahlen帯域における電流駆動型レーザー発振の可能性を実証すること。
• 温度特性と出力パワーに影響を与える主な制限要因（残留アギュア再結合とドレーブ吸収）を同定・分析すること。

提案手法

• 26–30 μm発光に適したバンドギャップを実現するため、5.2 nm 厚のHgTe量子井戸をCd₀.₆Hg₀.₄Teバリア中に埋め込んだヘテロ構造を設計する。
• キャリアの漂移および拡산、バリア層内でのキャリア捕獲、放射再結合および非放射再結合を含む包括的数値モデルを実装する。
• 時間依存モードゲイン、内部損失、ジュール加熱による発熱を含む2次元レート方程式モデルを用いて、光子およびキャリアの動的挙動を解析する。
• 成長方向（z軸）に沿った熱拡散をグリーン関数を用いてモデル化し、基板、クラッド、ヒートシンク層を考慮する。
• 非調和的バンドを仮定した放物型バンド近似を用いて2次元アギュア係数を計算し、有限量子井戸幅の補正にはK₂D/₃D係数を適用する。
• 熱方程式を数値的に解き、1 μsパルスにおける温度上昇を評価する。このとき、1 μs間の熱拡散長は約13 μmである。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HgTe多重量子井戸を用いて、GaAs Reststrahlen帯域（20–50 μm）で電流駆動型レーザー発振を達成できるか。
• RQ2 HgTe量子井戸のバンド構造は、従来の半導体と比較してアギュア再結合をどの程度低減できるか。
• RQ3 このHgTeベース構造における最大動作温度は何か。その制限要因は何か。
• RQ4 パルス動作下でどの程度の出力パワーが達成可能か。熱的効果は性能にどのように影響するか。
• RQ5 ドーピングされた領域における残留アギュア再結合とドレーブ吸収は、高温でのレーザー発振の実現可能性にどのような影響を及えるか。

主な発見

• 26–30 μmで90 Kまでの動作が可能であり、Reststrahlen帯域における電流駆動型遠赤外発光の可能性を示している。
• 1 μsパルス幅の電流パルス下で最大8 mWのパルス出力が達成され、コンactな遠赤外光源として実用的な出力レベルを示している。
• 70 Kにおける2次元アギュア係数は8.3×10⁻¹² cm⁴/s、90 Kでは8.7×10⁻¹² cm⁴/sであり、3次元相当値はそれぞれ9.0×10⁻²⁵ cm⁶/sおよび9.4×10⁻²⁵ cm⁶/sである。
• 量子井戸内の残留アギュア再結合および高濃度ドーピングされた注入領域におけるドレーブ吸収が、温度特性の主な制限要因であると特定された。
• 1 μsパルス中の熱拡散長は約13 μmであり、活性領域の厚さ（約0.2 μm）よりもはるかに大きいことから、成長方向に沿った1次元熱モデルの妥当性が裏付けられた。
• ブロッホ波関数の重ね合わせ積分は0.3であり、K₂D/₃D係数は0.4であった。これは正弦波包絡関数近似からの著しい逸脱を示しており、アギュア係数の精度に影響を与える。